缺氧誘導因子1α 在心肌缺血再灌注損傷中作用的研究進展

盧紫君，黃照河

心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）占中國城鄉居民死亡原因的首位，目前其死亡率仍呈上升趨勢［1］，其中心肌梗死（myocardial infarction，MI）是關鍵的致死因素，且85%的MI患者被明確是由動脈粥樣硬化斑塊破裂引起的［2］。目前，通過藥物溶栓、經皮冠狀動脈介入治療（percutaneous coronary intervention，PCI）和冠狀動脈旁路移植術使阻塞的血管再通（再灌注治療）被認為是MI最有效的治療策略，然而，盡管再灌注治療可及時恢復血流，改善缺氧環境，從而挽救受損的心肌細胞，但其本身也可能引起進一步的病理反應，從而加劇心肌組織損傷，即心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia reperfusion injury，MIRI）［3］。研究顯示，MIRI的發生與氧化應激、活性氧（reactive oxygen species，ROS）堆積、鈣超載、免疫反應［4］及ATP生成障礙［5］等多種病理機制密切相關。缺氧誘導因子（hypoxiainducible factor，HIF）-1α作為一種廣泛存在的轉錄因子，在介導細胞對缺氧環境的適應性反應中發揮著獨特作用，其在低氧條件下被激活，一方面可活化多種參與調節細胞氧化還原狀態的靶基因以減少ROS的生成，另一方面可調控線粒體特異性基因的表達量以適應缺氧環境并改善線粒體功能［6］，從而在預防MIRI及保護心臟功能方面起重要作用，因而HIF-1α可能是缺氧損傷后心臟重塑的潛在治療靶點之一。基于此背景，本文主要介紹了HIF-1α的發現過程、結構與生物學效應及其在MIRI中的作用機制，并總結了基于HIF-1α治療MIRI的研究現狀，以期為MIRI的診治提供新思路和理論依據。

1 HIF-1α的發現過程、結構與生物學效應

1.1 HIF-1α的發現過程 HIF-1最早是由SEMENZA等［7］在促紅細胞生成素基因中發現的，其是氧傳感途徑中的一個重要因素，該發現使人們對低氧調控基因有了初步認識。該團隊在隨后的研究中提出，哺乳動物可通過基因表達量的變化而感知氧濃度并對缺氧做出反應，而HIF-1在氧張力的調節中起關鍵作用［8］。HUANG等［9］的研究進一步提出，HIF-1的激活主要依賴缺氧誘導的HIF-1α的穩定性，缺氧通過消除氧依賴降解（oxygen-dependent degradation，ODD）結構域來穩定HIF-1α，從而激活HIF-1信號通路。此后，HIF-1α促進細胞適應缺氧環境的作用機制被廣泛研究，而HIF-1α誘導血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達、介導缺氧信號通路的作用也逐漸被人們發現［10］。

1.2 HIF-1α的結構與生物學效應 HIF-1實質上是由細胞質中對氧敏感的α亞基和維持細胞核形態的β亞基〔即芳香烴受體核轉運蛋白（arylhydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT）〕組成的異源二聚體。HIF-1α亞基主要起感知氧張力的作用，其穩定性和轉錄活性均受到氧濃度的調節，而β亞基則不受缺氧影響。HIF-1α亞基是含有PAS結構域的堿性-螺旋-環-螺旋蛋白，這使得其能夠與DNA結合并在缺氧環境中與ARNT異質二聚化，從而進一步活化VEGF。此外，HIF-1α包含兩個轉錄激活結構域，即N端轉錄激活域（N-transactivation domain，N-TAD）和C端轉錄激活域（C-transactivation domain，C-TAD），這是激活缺氧誘導基因轉錄所必需的，且HIF-1α在正常氧濃度時受脯氨酰殘基的羥基化調節［11］。HIF-1α蛋白質的穩定性、亞細胞定位和轉錄活性均受細胞內氧合水平的影響。在氧含量充足的細胞中，含氧依賴性脯氨酰羥化酶結構域（prolyl hydroxylase domain，PHD）的蛋白質會將HIF-1α的ODD結構域的兩個脯氨酸位點（Pro402和Pro564）羥基化［12］，這些羥基化后的HIF-1α可被腫瘤抑制蛋白馮·希佩爾-林道（von Hippel-Lindau，VHL）識別并與之結合而發生泛素化，從而形成E3泛素連接酶復合體，而后通過氧依賴的泛素-蛋白酶體途徑降解；在缺氧條件下，羥化反應被抑制，HIF-1α不斷積聚，從而調控細胞增殖，其亦可與HIF-1β形成異二聚體，并進一步與缺氧反應元件（hypoxia responsive elements，HRE）結合［13］，從而激活數百個靶基因（包括涉及氧化應激［14］、紅細胞生成、血管生成、糖酵解、線粒體代謝的基因［15］）的轉錄，而這些基因的翻譯產物可將氧氣向缺氧組織輸送，從而使細胞代謝適應缺氧環境。

2 HIF-1α在MIRI中的作用機制

MIRI與鈣超載、氧自由基生成、免疫應答、線粒體損傷、細胞凋亡和自噬以及血小板異常聚集等多種復雜的病理生理學特征有關［4］。其中，鈣超載和氧化應激引起的線粒體功能障礙被認為是導致MIRI的重要原因［16］，但其確切機制尚不明確。HIF-1α作為一種轉錄因子，可參與氧化應激、炎癥反應、線粒體代謝等數百種相關基因的轉錄，研究指出，HIF-1α是多種藥物預防及改善MIRI的作用靶點［17］，其具體作用機制可能與以下幾方面有關。

2.1 促進線粒體功能恢復 在MIRI發生的早期，心肌長時間缺血導致線粒體損傷，隨后導致ATP酶依賴的離子轉運功能障礙，進而引起ATP耗竭并誘導Ca2+生成、細胞腫脹和壞死等一系列事件。研究指出，在缺氧期間，細胞的適應性反應可激活HIF-1，從而誘導許多促進血管生成、能量代謝和細胞存活的基因的表達，進而通過激活促進內皮細胞遷移、生長和分化的基因信號級聯反應來調節內皮細胞的適應性［18］。再灌注過程中，心肌細胞內Ca2+濃度升高，引起胞質及線粒體內鈣超載，其中進入線粒體的Ca2+進一步與含磷酸的化合物結合，導致不溶性的磷酸鈣沉積，從而影響線粒體氧化磷酸化［19］。同時，低氧還會破壞線粒體電子傳導鏈（electron transport chain，ETC），引起ROS大量堆積，而ROS和Ca2+濃度的增加可促使線粒體內膜的滲透性轉導孔（permeability transition pores，PTP）開放，使得線粒體的膜滲透性發生變化。此外，PTP的開放還會使線粒體內的Ca2+和ROS含量再次增加，從而導致線粒體內蛋白和脂質過度氧化［20］，抑制線粒體呼吸功能并活化凋亡蛋白酶，進而啟動細胞凋亡程序。目前，調控缺血再灌注后的線粒體穩態，已被認為是一種有效的心肌保護策略［19］。研究發現，缺氧情況下HIF-1α表達增加可有效減輕MIRI，這種保護作用是通過介導七氟醚調節線粒體呼吸鏈能量生成，進而改善線粒體呼吸功能實現的［21］。線粒體自噬作為一種選擇性的細胞自噬，在多種CVD中發揮著重要作用，且對于維持心血管穩態尤為重要［22］。Bcl-2家族成員Bcl-2/腺病毒E1B 19-kDa相互作用蛋白3（Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3，BNIP3）是一種線粒體外膜蛋白，已被證實參與線粒體自噬過程，而HIF-1α可以上調BNIP3的表達，從而增強心肌細胞中線粒體自噬能力，促進線粒體功能恢復，進而減輕缺血性損傷［23］。王雪梅等［24］通過建立糖尿病心肌細胞缺血再灌注損傷模型發現，激活HIF-1α可促進線粒體能量代謝，減輕心肌細胞氧化應激損傷和減少心肌細胞凋亡。上述研究提示，HIF-1α可能通過直接或間接地促進線粒體功能恢復來減輕MIRI。

2.2 提高心肌細胞抗氧化能力 MIRI發生過程中，ROS堆積被認為是導致心肌細胞損傷的重要因素，線粒體由于缺血缺氧損傷會釋放大量ROS，導致膜脂質過氧化，進而破壞細胞膜的屏障功能；而脂質、DNA和蛋白質的過度氧化可導致心肌細胞損傷加重，最終致使心肌細胞凋亡［25］。因此，清除細胞中過量的ROS，緩解氧化應激，可以提高心肌細胞的生存能力、減輕MIRI［26］。而HIF-1α可減少缺血再灌注后心肌細胞中ROS的產生和心肌細胞凋亡，進而減輕MIRI［26］。MI發生后，心臟成纖維細胞中的HIF-1α可通過核因子-紅細胞因子2（nuclear factor-erythroid factor 2，Nrf2）途徑提高成纖維細胞的抗氧化能力，從而保護心臟免受由ROS積聚引起的損傷［27］。此外，一些中草藥研究也發現了HIF-1α可提高心肌細胞抗氧化能力，如在缺血再灌注模型小鼠中，二氫丹參酮I預處理可通過穩定HIF-1α來清除氧自由基，減少ROS的生成，維持細胞內氧化還原平衡，從而保護心肌免受缺血再灌注損傷［28］；LIU等［29］研究發現，接受三七總皂苷干預的缺血再灌注心肌細胞模型的HIF-1α明顯升高，且三七總皂苷可抑制心肌損傷標志物——乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）、丙二醛（malonaldehyde，MDA）、ROS的生成，并指出三七總皂苷通過減少ROS以及干預HIF-1α/叉頭框家族蛋白O3a（forkhead box protein O3a，FoxO3a）靶點來減輕MIRI；另一種天然產物積雪草酸可通過激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/糖原合成酶激酶（glycogen synthase kinase，GSK）-3β通路而促進HIF-1α表達，從而抑制ROS過度產生，同時調節缺血再灌注損傷細胞的Ca2+含量，減輕鈣超載，進而發揮心肌保護作用［30］。綜上，HIF-1α被激活后可抑制ROS堆積，提高心肌細胞抗氧化能力，進而減輕MIRI。

2.3 介導心臟保護信號通路 自HIF-1α靶基因首次被報道以來，研究者已經鑒定出數百個HIF-1α信號通路的下游靶點，這揭示了HIF-1α信號通路的復雜性和重要性［31］。ZHU等［32］早期研究發現，BNIP3通過HIF-1α介導的缺氧信號通路增強心肌組織中線粒體的自噬能力，從而減輕MIRI。ZHANG等［33］研究進一步證實，在MIRI大鼠心肌細胞中，HIF-1α表達水平升高，其通過激活HIF-1α/BNIP3信號通路而抑制心肌細胞凋亡，進而減輕MIRI。YANG等［34］研究證明，七氟醚預處理可以通過激活HIF-1α/C-X-C趨化因子受體4（C-X-C motif chemokine receptor 4，CXCR4）/VEGF信號通路來提高VEGF表達水平，而VEGF與血管生成密切相關，且促進血管生成可以有效改善組織缺氧，從而減輕MIRI。另一項研究亦指出，香草醛和己酮可可堿通過調節Akt/HIF-1α/VEGF信號通路而發揮心臟保護作用［35］。神經標志物泛素羧基末端水解酶L1（ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1，UCHL1）被證實可抑制缺血再灌注后的心肌纖維化，進而保護心臟功能，這是通過激活HIF-1α信號通路并穩定HIF-1α實現的［36］。此外，黃芪甲苷也被證實可通過促進Janus激酶2（Janus kinase 2，JAK2）/轉錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）的磷酸化來升高HIF-1α水平，進而保護心肌細胞免受缺血再灌注損傷［37］。綜上，HIF-1可介導心臟保護信號通路，進而減輕MIRI，且調控HIF-1α表達在MIRI的治療中存在巨大潛力。

3 基于HIF-1α治療MIRI的研究現狀

目前，針對HIF-1α的藥物研究還停留在動物實驗水平，缺乏循證證據和基礎研究成果向臨床應用的轉化。SU等［38］通過構建MIRI模型小鼠，驗證了miR-432和HIF-1α之間的靶標關系，指出miR-432過表達可誘導HIF-1α激活，從而啟動β-catenin/HIF-1α信號通路以及增強NRF2介導的抗氧化應激反應，進而保護心肌免受缺血再灌注損傷。此外，許多中草藥成分如三七皂苷Ft1、積雪草酸、黃芪甲苷、紫杉醇、曲克蘆丁［39］、柴胡三參［40］和酸棗葉總黃酮［41］等均可通過調控HIF-1α表達來激活與心臟保護相關的靶基因，進而預防MIRI。陳興華等［42］研究發現，落新婦苷通過激活HIF-1α/BNIP3信號通路來增強線粒體的自噬能力，從而縮小MI面積，減輕MIRI。阿瑞匹坦可減輕大鼠MIRI，同時提高HIF-1α、Akt水平，其心肌保護作用可能是通過激活PI3K/Akt/GSK-3β信號通路和HIF-1α信號通路實現的［43］。以上研究均是以HIF-1α為靶點來探尋MIRI新的治療策略，然而僅停留在動物實驗階段，MIRI臨床藥物的開發與應用仍有待進一步深入研究。

4 小結與展望

MIRI是MI再灌注治療后引起心肌細胞凋亡的一種并發癥，可嚴重影響MI患者的預后及生存率，其潛在機制被廣泛研究。HIF-1α作為一種在機體內普遍存在的轉錄因子，可與數千個靶基因結合，從而對機體產生特殊的調控效應，其可以通過促進線粒體功能恢復、提高心肌細胞抗氧化能力、介導心臟保護信號通路而減輕MIRI。但目前關于HIF-1α的研究多停留在動物實驗階段，未來需要進一步探索其在心臟炎癥、氧化應激以及線粒體損傷中的具體作用及其機制，以期達到降低MIRI發生率及改善患者預后的目的，從而為MIRI的臨床診療提供參考。

作者貢獻：盧紫君進行文章的構思與設計、文獻/資料收集與整理，撰寫論文；黃照河進行文章的可行性分析，負責文章的質量控制及審校，對文章整體負責、監督管理；盧紫君、黃照河進行論文的修訂。

本文無利益沖突。